Художественное впечатление от коричневого карлика WISE J1828, одного из самых холодных газовых гигантов за пределами нашей Солнечной системы. В его атмосфере преобладает поглощение воды, метана и паров аммиака. Фото: ETH Zurich / Polychronis Patapis
Они раскрывают происхождение вина, возраст костей и окаменелостей и служат диагностическими инструментами в медицине. Изотопы и изотопологи — молекулы, различающиеся только составом изотопов, — также играют все более важную роль в астрономии. Например, соотношение изотопов углерода-12 (12C) и углерода-13 (13C) в атмосфере экзопланеты позволяет ученым сделать вывод о расстоянии, на котором экзопланета вращается вокруг своей центральной звезды.
До сих пор 12C и 13C, связанные с окисью углерода, были единственными изотопологами, которые можно было измерить в атмосфере экзопланеты. Теперь группе исследователей удалось обнаружить изотопологи аммиака в атмосфере холодного коричневого карлика.
Как только что сообщила команда в журнале Nature, аммиак можно измерить в форме 14NH3 и 15NH3. В исследовании принимали участие астрофизики Полихронис Патапис и Адриан Глаузер, являющиеся членами Департамента физики, а также Национального центра компетенции в области исследований (NCCR) PlanetS, причем Патапис был одним из первых авторов.
В поисках аммиака
Коричневые карлики находятся где-то между звездами и планетами: во многом они напоминают газовые планеты-гиганты, поэтому их можно использовать в качестве модельной системы для изучения газовых гигантов. В своей работе Патапис и его коллеги наблюдали коричневого карлика WISE J1828, который находится на расстоянии 32,5 световых лет от Земли; на ночном небе она расположена в созвездии Лиры, Лиры.
WISE J1828 невозможно увидеть невооруженным глазом: при эффективной температуре (то есть температуре черного тела, которое излучает такое же количество энергии, как и наблюдаемый объект) всего 100°C, это слишком холодно для синтеза водорода. произойти и послать свет на Землю. Чтобы обнаружить эту ультрахолодную звезду-карлика спектрального класса Y, прошлым летом зеркала космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) были развернуты в направлении лиры.
Mid-InfraRed Instrument (MIRI), инфракрасный детектор, установленный на борту JWST, позволил выявить изотопологи аммиака на WISE J1828. В диапазоне длин волн от 4,9 до 27,9 мкм спектрометр среднего разрешения (MRS) MIRI зафиксировал спектр коричневого карлика, где, помимо аммиака, исследователи наблюдали молекулы воды и метана, каждая из которых имеет характерные полосы поглощения.
В частности, аммиак вызывает затухание сигнала, поступающего на детектор в диапазоне длин волн от 9 до 13 мкм.
Изотопологи аммиака можно разрешить и спектроскопически: если молекулы аммиака состоят не из наиболее распространенного изотопа азота 14N, связанного с тремя атомами водорода, а из 15N плюс три атома водорода, то дополнительный нейтрон в ядре азота обеспечивает в спектре имеется излом, который можно объяснить присутствием 15NH3.
Новая диагностика экзопланет
Соотношение двух изотопологов аммиака, измеренное в атмосфере WISE J1828, особенно интересно: как объясняют Патапис и его коллеги, соотношение 14NH3 и 15NH3 является индикатором, то есть индикатором, который можно использовать в будущем для изучения образование звезд и планет. Это новый инструмент, который поможет протестировать различные известные механизмы образования газовых гигантов.
Газовые гиганты, такие как Юпитер или Сатурн, не являются чем-то особенным для нашей Солнечной системы. Эти тела играют важную роль в изучении экзопланет: они появляются на ранних этапах формирования звезд и, таким образом, являются решающим фактором, определяющим, будут ли развиваться меньшие и легкие планеты и если да, то каким образом. До сих пор не было однозначного ответа на вопрос, как образуются массивные газовые гиганты.
Эксперты разработали разные теории, но неясно, образуются ли эти планеты в результате ядерной аккреции (как и большинство других планет) или в результате гравитационного коллапса протопланетного диска вокруг звезды-прародителя.
Соотношение изотопологов, зафиксированное Патаписом и его коллегами, может дать новые подсказки. На Земле на каждый атом 15N приходится 272 атома 14N. В статье сообщается, что соотношение 14NH3 к 15NH3, измеренное в атмосфере WISE J1828, составляет 670, что означает, что коричневый карлик накопил меньше азота-15 в процессе своего формирования по сравнению с Землей и другими планетами, такими как Юпитер. . Фактически, содержание 15N на WISE J1828 меньше, чем на всех небесных телах нашей Солнечной системы.
Различные сценарии формирования планет
Процессы так называемого фракционирования изотопов, то есть изменения содержания изотопов, до конца не изучены, но считается, что удары комет способствуют обогащению азотом-15, поскольку в кометах содержание 15N значительно выше. Считается, что удары комет являются фундаментальным строительным блоком планет в Солнечной системе: кометы способствовали формированию атмосферы Земли, хотя не совсем ясно, в какой степени.
Низкое содержание 15NH3 в спектре WISE J1828 предполагает, что коричневый карлик не следовал обычному пути формирования планет, а именно ядерной аккреции, а вместо этого сформировал звездообразный сценарий, который указывает на гравитационный коллапс. Таким образом, этот тип гравитационной нестабильности, вероятно, будет играть важную роль в формировании газовых гигантов, особенно тех, которые движутся вокруг своей звезды на больших орбитах.
Действительно, это еще один важный момент, обсуждаемый в статье: соотношение 14NH3 и 15NH3, по-видимому, сильно варьируется в зависимости от расстояния между газовым гигантом и его звездой, как показано моделированием формирующейся планеты между аммиачным и молекулярным азотным льдом. линии.
В астрономии линии льда указывают на минимальные расстояния от центральной звезды, на которых температура достаточно низкая, чтобы определенное летучее химическое соединение перешло в твердую форму. По мнению Патаписа и его коллег, наблюдение повышенного соотношения 14NH3 и 15NH3 может указывать на планетарную аккрецию льдов между линиями аммиачного и азотного льда.
Астрономы только что получили дополнительный инструмент для изучения экзопланет, наблюдаемых непосредственно. След аммиака стал ощутимым только благодаря JWST, еще раз подтвердив огромную ценность и беспрецедентные характеристики этого космического телескопа.
